激光微加工系統及基于DSP+FPGA的控制單元的研究
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納秒脈沖激光微加工系統以納秒脈沖激光作為光源，光束經(jīng)過(guò)光路系統調整會(huì )聚后照射到載物臺上，配合運動(dòng)平臺的運動(dòng)，完成微結構的加工。系統對控制單元的要求很高，包括圖形的編輯、數據處理能力和同步的運動(dòng)控制算法?，F有激光加工機的控制單元多采用2種控制方式[2，3]：(1)基于PC的系統，運算能力強大，可實(shí)現圖形編輯等功能，但是不能脫離PC獨立運行，成本高；(2)以單處理器為核心的方式，缺點(diǎn)是單處理器的運算能力有限，很難實(shí)現高速和復雜圖形的加工。數字信號處理芯片DSP和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA的出現，為加工系統控制單元的性能提升提供了新的手段。本文利用上位機Visual C++軟件平臺實(shí)現圖形的解析和編輯功能，利用DSP的高速數字信號處理能力和FPGA的多路并行處理能力，設計了系統的控制硬件，使納秒脈沖激光微加工系統的加工效果更好。
1 系統整體結構
納秒脈沖激光微加工系統主要包括：控制單元、激光器、機械結構和光路系統四部分。系統結構如圖1所示。
激光器是系統的加工工具，采用美國相關(guān)公司的AVIA－355 nm脈沖激光器。不同于早期的連續激光，此激光器有更多的參數和模式選擇，包括激光脈沖頻率p激光脈沖寬度和激光能量等，并且可以選擇是單脈沖加工、多脈沖加工還是連續脈沖加工，使得激光器的控制難度大大高于對連續激光器的控制。
運動(dòng)平臺和光路系統作為加工的硬件部分，需要根據激光器的指標和要實(shí)現的加工精度進(jìn)行設計。本系統的二維運動(dòng)平臺為步進(jìn)電機驅動(dòng)的絲杠螺桿傳動(dòng)的平臺，行程是200 mm×200 mm，運動(dòng)速度最大為40 mm/s，32細分下分辨率是650 nm。平臺采用57步進(jìn)電機驅動(dòng)。電機驅動(dòng)器采用雷賽M335B型號，輸入方向和速度驅動(dòng)信號便可實(shí)現步進(jìn)電機的運動(dòng)控制，并具有良好的精度。載物臺放于運動(dòng)平臺上方，配有吹氣裝置，通過(guò)控制出氣孔的大小來(lái)控制出氣壓力。光學(xué)系統包括反射鏡片組，半透半反鏡片，聚焦物鏡和CCD共焦調整鏡片。反射鏡片鍍有355 nm波長(cháng)的反射膜，反射率達到99%。聚焦物鏡將激光聚焦到物體表面，聚焦后光斑直徑小于20 μm。CCD主要用于調焦和加工的觀(guān)察。
控制單元是加工系統的關(guān)鍵部分，包括上位機和下位機兩部分。上位機主要完成加工圖形方面的工作，實(shí)現圖形文件的解析、圖形修改和參數設置等功能，然后將這些矢量數據和加工參數通過(guò)預先設定的數據格式傳輸給下位機；下位機則借助先進(jìn)的集成電路技術(shù)，完成對系統其他單元的控制。所以下位機系統需要有完善的控制算法，在進(jìn)行系統設計時(shí)需要重點(diǎn)研究。
2 控制單元
控制單元是激光加工設備的關(guān)鍵部件，其性能直接決定了激光加工的質(zhì)量，尤其是圖形數據的處理和適當的控制技術(shù)是激光加工系統的關(guān)鍵部分。國外很多優(yōu)秀激光加工設備主要依賴(lài)于高性能的數控系統才得以實(shí)現各種高質(zhì)量的加工。本系統控制單元分為上位機的圖形解析軟件和下位機的硬件系統。
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